Diffusionsbeispiele

Diffusion ist ein Stofftransportprozess, bei dem es zu einer Nettobewegung von Partikeln von einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem anderen mit geringerer Konzentration kommt . Einfach ausgedrückt ist Diffusion die Bewegung von Substanzen, die durch Konzentrationsunterschiede angetrieben wird.

Diffusion ist seit Hunderten von Jahren bekannt. Wir erleben es in der Luft, wenn wir frisch gebackenes Brot aus einer Bäckerei riechen, wenn wir den Kaffeeduft aus der Küche wahrnehmen, obwohl wir uns mehrere Meter entfernt in einem anderen Raum befinden, oder wenn wir jedes Mal Weihrauch riechen, wenn wir uns nähern ein Tempel.

Die Erfahrung lehrt uns, dass dies ein passiver und spontaner Prozess ist. Erstens, weil es keine Energiezufuhr erfordert, und zweitens, weil es passiert, ob wir es wollen oder nicht, wenn es einen Konzentrationsunterschied zwischen zwei Orten im Raum gibt.

Faktoren, die die Diffusion beeinflussen

Der Diffusionsprozess hängt von mehreren Variablen ab, die sich sowohl auf das Medium beziehen, in dem die Partikel diffundieren, als auch auf die Eigenschaften der Partikel selbst.

Konzentration

Wir haben bereits erwähnt, dass der bestimmende Faktor für das Auftreten von Diffusion ein Konzentrationsgradient ist, d. h. es muss einen Unterschied in der Konzentration von Partikeln an zwei Punkten im Raum geben, damit die Partikel von einem zum anderen diffundieren können.

Der Konzentrationsgradient wird als Quotient aus der Differenz der Konzentrationen eines Stoffes an zwei Punkten im Raum (oder im Medium) und dem Abstand zwischen den beiden Punkten ausgedrückt. Mathematisch wird dies geschrieben als

Entscheidend ist nicht die Konzentration an sich, sondern dass es einen Konzentrationsunterschied gibt. Wenn zwei Punkte im Raum sehr hohe Konzentrationen haben, aber beide gleich sind, dann gibt es keine Diffusion zwischen den beiden Punkten.

Temperatur

Diffusion tritt aufgrund zufälliger Bewegungen in alle Richtungen der Partikel auf, aus denen Materie besteht. Diese Bewegung, Brownsche Bewegung genannt, zu Ehren des Botanikers Robert Brown, der sie im 19. Jahrhundert entdeckte, entsteht durch Kollisionen zwischen Teilchen, aus denen Materie besteht, die unter ständiger thermischer Bewegung stehen.

Da die thermische Bewegung mit der Temperatur zunimmt, werden Diffusionsprozesse bei höheren Temperaturen schneller.

Das Medium, in dem es verbreitet wird

Auch wenn es nicht so scheint, kann Diffusion in jeder Art von Materie auftreten, einschließlich Gasen, Flüssigkeiten und auch Feststoffen. Der Prozess ist jedoch nicht in jedem Medium gleich.

So verbreitet sich beispielsweise das Kaffeearoma sehr gut durch die Luft, nicht aber durch Metall. Ein Beweis dafür ist die Tatsache, dass eine verschlossene Thermoskanne mit Kaffee erst in dem Moment, in dem sie geöffnet wird, ein Kaffeearoma verströmt. Mit genügend Zeit diffundieren die aromatischen Kaffeepartikel jedoch schließlich durch das Metall, da kein Material vollkommen undurchlässig ist.

Die Masse der Teilchen

Die Masse der Partikel wirkt sich direkt auf die Geschwindigkeit aus, mit der sie diffundieren können. Schwerere Partikel neigen dazu, sich bei einer gegebenen Temperatur langsamer zu bewegen als leichtere Partikel. Aus diesem Grund diffundiert ein Partikel umso langsamer, je schwerer es ist.

Die Form und Größe der Partikel

Zusätzlich zur Abhängigkeit von der Masse wirkt sich die Form eines Partikels stark auf seine Fähigkeit aus, in verschiedene Medien zu diffundieren. Je kleiner und kugelförmiger ein Partikel ist, desto besser kann es durch verschiedene Medien diffundieren.

Diffusionsgleichungen

Der Diffusionsprozess wird hauptsächlich durch das Grahamsche Gesetz und durch die Fickschen Gesetze charakterisiert.

Grahams Gesetz

Das Gesetz von Graham besagt, dass, wenn zwei Gase ineinander diffundieren, die Diffusionsrate umgekehrt proportional zum Quadrat ihrer Dichte ist. Wir wissen jetzt, dass die Dichte eines Gases proportional zu seiner Molmasse ist, was es uns erlaubt, das Grahamsche Gesetz in Bezug auf die Molmasse des Gases anzugeben. In mathematischer Form besagt das Gesetz von Graham, dass für zwei Gase, A und B, die Beziehung zwischen ihren Diffusionsraten gegeben ist durch:

wobei v _A und v _B die mittleren Diffusionsraten jedes Gases darstellen und M _A und M _B ihre jeweiligen Molmassen sind.

Ficks Gesetze

Ficksche Gesetze sind die mathematischen Ausdrücke, die Diffusionsprozesse steuern. Seine Lösung ermöglicht es, die Diffusionsgeschwindigkeit einer Substanz durch ein Medium zu quantifizieren und auch zu bestimmen, wie sich die Konzentration von Partikeln an einem bestimmten Punkt als Funktion der Zeit ändert.

Ficks erstes Gesetz

Die einfachste Form von Ficks erstem Gesetz ist gegeben durch:

wobei J die Anzahl der Partikel darstellt, die pro Flächeneinheit und pro Zeiteinheit an einem gegebenen Punkt passieren, D eine Proportionalitätskonstante ist, die als Diffusionskoeffizient bezeichnet wird, φ die Konzentration und x die Position darstellt.

Der Quotient dφ/dx stellt den Konzentrationsgradienten in einer einzigen Dimension dar (äquivalent zu der, die wir am Anfang des Artikels definiert haben), sodass das 1. Gesetz von Fick tatsächlich ausdrückt, dass die Diffusion direkt proportional zum Konzentrationsgradienten ist. Darüber hinaus zeigt es auch an, dass die Verschiebung von einer höheren zu einer niedrigeren Konzentration erfolgt (daher das Minuszeichen in der Gleichung) und dass die Proportionalitätskonstante der Diffusionskoeffizient ist.

Ficks zweites Gesetz

Ficks zweites Gesetz ist gegeben durch:

Das linke Glied stellt die Änderungsrate der Konzentration im Laufe der Zeit an einem bestimmten Punkt im Raum dar, sodass wir mit diesem Gesetz bestimmen können, wie sich die Konzentration einer Substanz im Laufe der Zeit aufgrund von Diffusion ändert. Wir können sehen, dass, wenn es keinen Diffusionsgradienten gibt, die rechte Seite der Gleichung Null (0) ist, sodass die Änderungsrate der Konzentration ebenfalls Null ist und sich daher die Konzentration im Laufe der Zeit nicht ändert ( bleibt konstant).

Diffusionsbeispiele

Diffusion durch die Zellmembran

Der Prozess, bei dem eine fettlösliche Substanz wie Kohlendioxid die Zellmembran durchquert, ist ein einfacher Diffusionsprozess, der den Fickschen Gesetzen unterliegt. In diesem Fall hängt die Diffusion davon ab, wie lipidlöslich der gelöste Stoff ist, die Konzentrationen des gelösten Stoffs innerhalb und außerhalb der Zelle, die Dicke der Membran und andere Variablen.

Diffusion eines Parfums in einem geschlossenen Raum

Wir alle haben schon einmal jemanden gesehen, der Parfüm auf eine Seite des Raumes stellt und nach einer Weile erreicht der Geruch des Parfüms unsere Nase. Dies geschieht dank der Diffusion aromatischer Partikel durch die Luft.

Diffusion von Tinte auf dem Stoff eines Hemdes

Ein unglückliches Beispiel für die Diffusion durch ein festes Material ist das, was passiert, wenn ein Tintentropfen auf ein Tuch fällt. Nach einiger Zeit breitet sich der Tropfen durch Diffusion im Material aus.

Ein Tropfen Farbstoff in einem Glas Wasser

Dies ist das klassische Beispiel für den Diffusionsprozess in einem flüssigen Medium, da es sehr einfach zu beobachten ist. Wenn ein kleiner Tropfen Lebensmittelfarbe vorsichtig in ein mit Wasser gefülltes Glas gegeben wird, können wir zunächst beobachten, wie der Tropfen auf den Boden fällt und kleine farbige Arabesken an den Seiten entstehen. Dies ist keine Diffusion, sondern eine mechanische Mischung.

Nach einer gewissen Zeit bleibt der Tropfen jedoch still, nachdem sich alle Flüssigkeitsströme aufgelöst haben. Von diesem Moment an können Sie das Auftreten einer Art diffusen Halo um die intensivste Farbe herum sehen, und mit der Zeit wird dieser Halo immer größer, aber er verblasst immer, er sieht am Anfang dunkler aus und vollständig am Ende durchsichtig. Das ist das Kennzeichen des Diffusionsprozesses. Es ist ein langsamer Prozess und es geht immer von dort, wo die Substanzen konzentrierter sind, zu denen, wo sie weniger konzentriert sind.

Nach längerer Zeit, ohne dass das Glas geschüttelt werden muss, werden wir feststellen, dass die Farbe gleichmäßiger wird. Dies liegt daran, dass die Diffusion die Lösung langsam homogenisiert hat.

Verweise

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